近年来,随着城市轨道交通网络的规模与覆盖范围的不断扩大、开行列车数量与列车运行密度的增长、线路的交叉与换乘车站的不断增加,影响城市轨道交通列车运行的内部制约因素与外部干扰因素也在不断增多。诸多因素都有可能对城市轨道交通列车的运行造成影响甚至延误,影响列车正常运行与旅客的出行,严重时甚至会影响整条线路以至整个城市轨道交通网络的正常运营。因此,研究能够有效应对列车运行过程中的状态制约以及各种形式的随机非线性干扰的控制方法具有重要的现实意义。本文考虑列车运行过程中的状态约束,对列车追踪过程中的相关控制问题进行了如下研究:首先,研究列车非线性状态约束下的速度曲线跟踪控制问题。考虑列车追踪过程中存在限速条件与牵引力上限的情况,设计带有超速约束和饱和截断的反步控制策略,实现列车运行状态的主动约束控制。本文针对列车运行过程中的电机牵引上限和速度防护问题,引入饱和截断函数及速度约束函数,通过误差变换,提出一种通过主动进行运行速度约束、降低跟踪误差的控制方法。其次,研究随机状态扰动下的列车速度曲线跟踪控制问题。考虑列车测速定位信息受外部扰动的情况,将列车追踪控制问题转换为带有不确定参数的离散时间非线性系统的状态最优估计问题。基于卡尔曼滤波设计观测器设计一种加权滤波算法,实现传感器网络下列车离散时间非线性系统的速度估计,降低控制器设计对于传感器准确度的依赖性。同时考虑列车动力学含有不确定参数和难以建模的附加阻力的情况,基于模糊逻辑系统设计控制器解决参数自适应估计问题,对列车不确定环境参数进行精准目标追踪。最后,研究最小间隔距离受限的多列车协同运行自适应控制问题。考虑多列车协同运行状态下前行列车位置与追踪列车位置的最小追踪距离约束,通过耦合列车与相邻列车的状态信息引入新的辅助追踪误差变量,设计主动控制最小追踪距离的协同运行控制方法,实现列车队列在追踪距离上的稳定性。该方法下,相邻列车的追踪间隔距离维持在最小安全距离处且各列车追踪误差随车次号逐次递减,有利于提升高密度行车过程的安全性。